基于平面不規則結構抗震設計研究

陳杰成

1 引言

隨著人們生活水平的提高，對建筑的多樣性和美觀性要求越來越高。因此，很多建筑物都設計出平面不規則結構。近年來，地震災害頻發，人們對建筑質量的安全和抗震性能的關注日益提高，由于地震發生時，建筑物不僅受到水平和豎向地震作用，而且很可能發生扭轉振動，尤其是平面不規則結構的建筑物，這種震動更加明顯，導致產生的抗震性能弱化更嚴重，產生結構損壞甚至坍塌的可能性更高。因此，研究平面不規則結構的抗震設計具有重要的現實意義。

2 平面不規則結構定義

2.1 扭轉不規則

如果建筑物的單向偶然偏心地震作用下的位移比超過1.2，則該建筑結構屬于扭轉不規則結構。對于高層建筑復雜混合結構，如果該建筑物的單向偶然偏心地震作用下的位移比超過1.4以上，則屬于B類扭轉特別不規則結構。對于高層建筑結構，如果該建筑物的單向偶然偏心地震作用下的位移比超過1.5以上，則屬于A類扭轉特別不規則結構。

2.2 凹凸不規則

如果建筑物的平面結構中，凹進的一側尺寸大于相應投影方向總尺寸的30%以上，則屬于凹凸不規則結構（如圖1所示）。

如果建筑物的平面結構中，平面比較狹長，平面的尺寸大于相應投影方向的5倍以上，也屬于凹凸不規則結構。

圖1 凹凸不規則平面結構

2.3 樓板局部不連續

如果樓板的尺寸和平面剛度變化較大，比如樓板局部典型寬度的大于該樓板的有效寬度的50%（基本類似于凹凸不規則結構），或者樓板上存在開洞，開洞的面積占該樓板總面積的30%以上。

圖2 樓板局部不連續結構

3 基于平面不規則結構抗震設計的原則

在進行平面不規則建筑結構抗震結構設計的過程中，應當始終堅持以下原則：

3.1 整體合理性原則

平面不規則建筑結構本身具有一定的抗震缺陷，因此在進行抗震結構設計時，應從建筑的整體進行考慮，必須確保建筑整體結構的合理性。局部的抗震性能好不代表建筑物在收到地震作用時，不會發生損傷或者破壞。相關設計人員必須從整體角度出發，遵循建筑的基本規定和要求，確保建筑物整體結構的穩定和抗震，合理的引入抗震設計，提升建筑物的整體抗震性能。

3.2 結構合理性原則

結構合理是建筑物設計的核心原則。如果單純的為了建筑物的抗震性能，而忽略了結構的合理設計，建筑物本身的穩定性就已經大打折扣，在地震災難發生時，不僅不能抗震，而且收到損傷甚至坍塌的可能性會更高。因此，在進行建筑設計時，應重點考慮平衡和穩定，降低建筑物側拉力，確保建筑整體結構的合理和穩定。

3.3 豎向均勻原則

地震發生時，建筑物在水平方向所受到的作用力會突然加大，會導致建筑產生一定的變形。如果建筑的豎向設計出現問題，作用力不均衡，會導致建筑很容易因變形而產生扭曲，增大了建筑物損傷的可能性。而平面不規則建筑由于其結構特點，很容易發生扭轉變形，因此，在進行建筑結構抗震概念設計時，因局部突變或者扭轉效應，所產生薄弱部位應當避免，確保建筑的豎向和水平結構布置，都具有較高的剛度和承載力分布。尤其是質量中心、剛度中心的差異應控制在最小。

4 平面不規則結構抗震設計應用

4.1 結構樓面凹凸不規則、樓板不連續的調整

針對平面不規則呈現凹凸不規則或者樓板不連續的結構，可以通過對樓面的調整，加強結構的抗震性能。

（1）合法：通過增設樓板（拉板、拉梁或陽臺板、空調設備平臺板）的方法，提升建筑的抗震性能。

（2）分法：通過設置抗震縫，將建筑劃分成若干規則的子結構，使得子結構的相對規則，從而提升子結構的抗震性能，同時為建筑物建立抗震的多道防線。對于低矮的弱連廊可以采用滑支座的方式提升抗震性能（如圖3所示）。

圖3 設防震縫或滑動鉸支

（3）如果受到客觀條件影響，或者經過分、合兩種方法均不能有效的提升建筑物的抗震性能。則需要用更為嚴格的方法進行基于性能的抗震設計。常見設計要點如下：

①針對于主體結構：如果樓板局部大開洞造成的明顯的薄弱部位，該薄弱部位應采用彈性板提升抗震性能；如果樓板開洞較多或較復雜時，應整層采用彈性板提升抗震性能；如果建筑存在塔樓，塔樓之間的連廊應采用彈性板設計。

②采取構造措施，加強抗震延性：例如對樓板陰角、弱聯系樓板加厚及雙層雙向貫通配筋或設置開孔鋼板；薄弱樓蓋與主體結構交接處及其附近構件，在抗震等級提高一級的基礎上，進一步保守設計，提高延性。

4.2 結構扭轉效應控制

在對平面不規則結構進行結構扭轉效應控制時，控制的目的在于降低結構整體的位移比和周期比。位移比要控制在1.4以內，周期比要控制在0.85以內。常見的設計要點如下：

通過全面的了解平面各個部位的相對強弱，根據建筑總體剛度情況，或削強，或補弱，對建筑結構的質量和剛度分布進行均勻化調整，以減少偏心率；在偏心率已經得到充分控制的前提下，進一步調節結構樓面的內、外圈剛度比例關系，通過相對加強樓層的外圈剛度，以增強結構抗扭能力，從而可以使周期比減小乃至于滿足要求。

常見的方法有：如果整體結構的抗側力剛度不夠強，位移角剛剛能夠滿足規范要求，這時需要加強外圈剛度；如果整體結構的抗側力剛度已經足夠強，位移角遠小于規范限值，這時也可以考慮削弱結構內筒的剛度。

例如：某建筑屬于平面不規則結構，由同一個標準層形成10層的框架剪力墻結構，每層高度為3.3m，建筑總高度33m，各跨跨度均為6m。由于剪力墻的不對稱布置，初始結構平面導致結構沿短軸方向不存在清晰的平動振型，這意味著較大偏心率的存在（如圖4所示）。

圖4 某建筑剪力墻不對稱布置

在進行設計時，如果單純的在對稱位置設置一個剪力墻，雖然結構平面消除了偏心率，出現了純粹的平動振型和純粹的扭轉振型，但是該平面導致第一振型為扭轉，不能滿足周期比要求，這說明其抗扭剛度不足。

如果通過將對稱布置的剪力墻保持對稱地外移，形成如圖5平面，結構外圈的剛度得到加強，扭轉周期后移，周期比被控制在0.9以內。建筑的抗震性能將得到極大的提高。

圖5 某建筑調整后剪力墻結構

5 常見平面不規則結構抗震設計應用

5.1 四周布置剪力墻

通過大量的數據調研，地震發生時，由于建筑物的質量位置和地發生震動的空間變化具有不確定性，導致建筑物的角柱極易發生地震損壞。產生這種現象的原因是，建筑結構的質量中心和剛度中心不能完全重合，存在移動的偏心，導致結構出現了扭轉反應。因此，通過在抗震結構的周邊設置剪力墻，可以有效的提升結構在發生扭轉反應時，抗扭轉的能力和剛度。

5.2 中心支撐、偏心支撐

常用的雙重抗側力體系有框架——中心支撐體系，由于其具有較強的抗側剛度，能夠有效的防止非結構構件因地震的作用發生破壞。在彈性階段，偏心支撐鋼筋混凝土框架具有較高的抗側剛度，結構的非彈性變形通過支撐和耗能段梁的變形得到了有效的控制。這種結構可以限制循環荷載作用下的非彈性性能，只可能出現在消能梁段，從而加強了因地震產生的破壞能量的吸收和消耗作用。因此，此結構被常用于強震區。

5.3 引入消能減震設計

通過在建筑物的結構中放置一定數量的消能設備，當地震發生時，消能裝置會增加結構體系的尼系數，減少地震對結構的破壞作用。如果發生的地震較高時，進入彈塑性狀態的消能裝置，可以消耗地震的作用力，從而提升了建筑物的抗震性能。常見的消能設備裝置有：屬屈服阻尼器、摩擦阻尼器、粘彈性阻尼器和粘性流體阻尼器等。

與傳統的加固技術相比，消能減震法主要優勢有：

（1）現場施工過程中，可以做到無濕作業，原建筑的正常功能使用不受影響。

（2）既能提升建筑的抗震性能，又不改變建筑的外貌。

（3）抗震性能效果明顯，可滿足各種地震設防等級的要求，適應性比較好。

（4）相對施工成本和施工周期較低。

5.4 選擇合適的基礎

基礎是建筑工程的核心，它與上部結構的連接設計，關系著整個建筑的抗震性能。因此，在進行基礎設計和施工時，應通過整體進行考慮。如果建筑的結構由離散的剪力墻組成，長度和寬度的剛度存在差異，在進行基礎設計時，應選擇由基礎底板和蓋板組成的剛性箱式板式基礎；如果建筑具有獨立的基礎構件，在進行基礎設計時，應在兩個主方向的構件之間，使用基礎底板或基礎系梁。

6 結語

近年來，地震災害頻繁發生，建筑的抗震性能成為人們關注的焦點。在地震發生時，建筑結構不僅會受到地震作用的影響，出現水平和豎向的振動，還很有可能產生扭轉震動。而平面不規則形結構，由于其結構的不規則，相對偏心可能性較大，出現扭轉震動的可能性更高，在地震發生時，遭受損壞甚至坍塌的幾率也較大。因此，相關設計人員必須不斷的對平面不規則建筑進行研究總結，提升自身專業能力，提升結構的科學布置，增強建筑的抗震性能，推動建筑行業的不斷發展。

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